上海城建集团副总裁 周文波博士
编者按：随着社会经济的迅猛发展和城市化进程的不断加快，地下空间开发已成为扩展人们生活空间的重要手段。《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》更是提出了“优化城市空间结构”的理念，国家住建部提出了“加强城市轨道交通线网规划”的要求，可见对地下空间的有效利用已倍加重视。
交通设施是城市地下空间的主要应用对象，其涵盖了城市地下通道、地铁和隧道。而当前地下交通设施的建设与周边环境的相互关系愈加受到制约和重视，传统“开膛破肚”式的大拆大建问题突显，精准控制、悄然暗挖的自动化、精细化的盾构法则充分展现了其环境友好的优势。长久以来，盾构法隧道的断面形状基本为圆形，易于实现切削的圆形断面、相对合理的结构受力体系，掩盖了其空间利用率低、地下空间占用大的不足。
从隧道的使用功能来分析，矩形断面最为合适、经济，可显著增大其有效使用面积，有效节省地下空间资源；同时还提高了隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力。随着去年郑州纬四路、红专路下穿中州大道的矩形隧道相继通车，超大断面矩形隧道的应用再度引发热议。带着众多疑问，本刊记者近日走访了一直走在隧道技术开发前列的上海城建集团,与副总裁周文波博士就矩形隧道的历史、现状和未来进行了深入探讨。
历史与优势
矩形隧道历史悠久
众所周知，世界最早的盾构法隧道是1825年开始建造的英国伦敦穿越泰晤士河底隧道，其断面为11.4m×6.8m的矩形，长度为396m。法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）为挖掘隧道设计了一个大型构架，即最早的盾构机。盾构机分成36个小单元，每个单元内有一名矿工挖掘前方的粘土。当每位矿工挖去同一数量的粘土时，构架就向前移动，挖空的地方被铺上砖块。该条矩形盾构法隧道耗时18年建成（如图1所示）。
图1 用于泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾构
1865年首次采用圆形盾构建造隧道，由于圆形隧道具有结构受力好、设备制造简单和推进轴线容易控制等优点，故在此后的100余年内，几乎所有的盾构隧道断面全都采用圆形。
异形断面发展迅速
20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃，开发了局部气压盾构、泥水加压盾构和土压平衡盾构。尤其是日本，随着经济的发展以及地下空间开发和利用的需求，促进了盾构隧道技术的进一步发展。日本地域狭窄、人口密度大，各城市均呈现高密度建设，因此该国十分重视城市立体空间的综合利用。许多城市积极开发利用地下空间资源，确实起到了缓解城市交通压力、集约土地资源、实现城市空间立体开发、增加社会经济效应的作用。毫无疑问，它是城市可持续发展的重要途径。
至80年代后，日本就掀起了开发异形断面盾构掘进机的高潮，先后实施了椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道、矩形隧道掘进机及施工技术的试验研究和工程应用（如图2示）。
a.双圆隧道 b.三圆盾构 c.矩形盾构
图2 日本异形断面盾构机照片
在众多断面的隧道施工工法中，以双圆盾构和矩形盾构隧道最具生命力。其中，日本双圆盾构开发于1981年，至2005年完成工程12项；但随着刀盘切削的矩形盾构隧道技术在1994年的开发成功，并通过16项工程的应用验证，其已初具取代双圆隧道技术的趋势。
1994年，石川岛播磨重工研制了DPLEX偏心多轴刀盘式土压平衡矩形盾构，开启了刀盘切削矩形盾构先河；随后大丰建设采用4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾构，在千叶县习志野市菊田川2号干线掘进了2条并列的矩形排水隧道。2002年，京都地铁东西线醍醐至六地藏延伸工程采用了摆动式刀盘矩形盾构机，成功建成了断面外径9.9×6.5m、长753.2m的矩形隧道。至2011年，东京相模纵贯川尻隧道工程使用了8.24×11.96m敞开式矩形盾构机（如图3所示）。
图3 日本矩形盾构机发展历程
矩形隧道优势明显
随着城市的发展，对地下隧道的空间利用和隧道建设与周边环境的相互关系愈加受到重视和制约，因此，矩形隧道的断面优点再次进入了人民的视野。从隧道的使用功能来分析，城市交通人行地道、地下共同沟等隧道的断面形式以矩形最为合适，最为经济。在拥有相等有效空间的情况下，矩形断面能节约35%以上的地下空间，且可以大大减小隧道的埋深（如图4所示）。
图4 矩形隧道和圆形隧道有效空间对比图
矩形隧道的特点可以总结为4个方面：
①能充分利用结构断面，提高有效面积的使用率，节约地下空间资源；
②合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积；
③提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力，减小对周边环境的影响范围；
④ 单次掘进就可一次形成双线隧道，合理实施可节约工期。
通过矩形隧道工法与当前常规的单圆隧道、大直径隧道和双圆隧道工法的比较可见，矩形隧道的综合优势比较明显（如表1所示）。
表1 矩形、圆隧道综合分析比较表
现状与历程
矩形隧道中国现状
日本在开发矩形隧道的技术方面一直走在世界前列，中国的矩形隧道技术也紧随日本起步于1995年，以矩形顶管隧道为主。当时，上海隧道工程股份有限公司（简称“上海隧道股份”）研发了矩形顶管及施工技术，运用研制的2.5m×2.5m可变网格式矩形顶管掘进机试验了60m隧道。随后研制的3.8m×3.8m组合刀盘式矩形顶管掘进机成功应用于地铁车站出入口、地下连通道等工程领域。此后，又开发研制了6m×4m偏心多轴式、6.9m×4.2m三刀盘组合式、6.9m×4.2m行星刀盘式土压平衡矩形顶管掘进机，并相继完成近40条矩形隧道。2005年起，上海建工集团机施公司、中铁二局集团有限公司等施工企业也相继采用矩形顶管施工隧道。此后，随着人行断面矩形顶管法隧道技术的不断成熟，矩形顶管法隧道技术在上海、南京、武汉、郑州、宁波、湖州、舟山、佛山、淮安、包头等城市得到成功应用。由于矩形顶管技术的成功，也带动了国内隧道领域对矩形（异形）盾构法隧道技术的探索、研究和实践。
2002年，上海隧道股份首次引进了日本的双圆盾构机，在上海地铁8号线黄兴路站～开鲁路站区间成功建造了长2688m的6．3m×10．9m（外径×宽度）双圆隧道。此后又相继建成5个工程，总长度达11611m，同时总结出一整套DOT盾构施工技术。由于双圆盾构存在中部海鸥形凹槽，易产生背土导致地表隆起，因此该项技术对地表沉降的施工控制技术要求较高。2014年，上海建工集团机施公司开始研究运用9.75m×4.95m矩形盾构机于上海虹桥地区地下通道的试验；由于采用了8个小刀盘和大分块复合夹层管片（外钢内砼），隧道建设面临切削和工程成本高等问题。同年，上海隧道股份开始针对公路和地铁需求分别研究11.5m×7m级别的矩形盾构法隧道技术。在2015年1月，上海隧道股份承建宁波市轨道交通3号线一期出入段线矩形盾构工程，由此开展实质性研究和工程应用。中国矩形（异形）隧道发展情况如图5所示。
图5 中国矩形（异形）隧道发展情况
2.5m×2.5m可变网格式矩形顶管机的研制和试验
20世纪90年代，矩形顶管机作为一门新兴技术，在缺乏经验和认识的情况下，上海隧道股份针对矩形顶管机的技术关键进行试验研究，以收集第一手的资料和数据，为今后开发、研制先进的矩形断面掘进机积累经验。
试验工程位于南汇县航头地区，顶进距离为60m，覆土深度为6.45m。顶管机所穿越的土层为灰色淤泥质黏土、灰色淤泥质粉质黏土和灰色砂质粉土。
工程采用了2.5m×2.5m矩形顶管机，利用网格切割土体，并挡住开挖面土体有效防止正面土体坍塌，以人工出土方法进行开挖。顶管机包含四个可变网格，切口环处安装变角切口，还配备纠偏油缸和壳体纠转装置，可有效控制正面土体稳定、机头姿态，且有利于纠正转角。2.5m×2.5m可变网格式矩形掘进机及工程试验如图6所示。
图6 2.5m×2.5m可变网格式矩形掘进机及工程试验
矩形隧道工程试验的成功，标志着我国该项技术应用己进入实质性启动阶段，它填补了我国矩形顶管施工技术的空白，为该项技术的工程应用提供了设计依据和施工经验。
3.8m×3.8m第一代矩形顶管机的研制和应用
1999年3月，上海隧道股份研制了一台 3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形掘进机。该顶管机在大刀盘后侧一共安装了四把仿形刀，两把在刀盘正转时使用，另两把在刀盘反转时使用。另外，在机头壳体顶部安装有浆管，并开设压浆槽，使土体与壳体上平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。
随后，该顶管机首次应用于陆家嘴车站5号出入口地下通道工程，顺利穿越了延安东路隧道2条引道和陆家嘴路众多地下管线，建成了2条3×3m长62m的矩形人行地道。工程实践证明，3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形顶管机施工性能优良，速度快，机械化程度高，平均日推进5m，最高日推进8m。以后，该型号顶管机又陆续完成了上海地铁4号线浦东南路站过街人行地道、昆山市长江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多项工程。3.8m×3.8m组合刀盘式矩形掘进机及工程应用如图7所示。
图7 3.8m×3.8m组合刀盘式矩形掘进机及工程应用
6m×4m第二代矩形顶管机的研制和应用
2002年11月，上海隧道股份在消化吸收日本异型盾构技术的基础上，设计制造了一台截面尺寸1.2m×1m马蹄形的偏心多轴刀盘式掘进试验机。针对不同土层的性质和技术参数，进行了偏心多轴刀盘式掘进机的切削性能和相关技术参数的针对性模拟试验。在原有的矩形隧道掘进应用工程的基础上，研制了一台6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机，在宁波市开明街-药行街地下通道和地铁车站过街人行地道等多项工程中得到应用。
6m×4m偏心多轴刀盘式矩形掘进机优势如下：可对矩形隧道断面进行全断面切削，并能保持开挖面的土压平衡；将大断面的切削断面分割为二，减少了偏心轴的运转半径，降低切削驱动扭矩；两个刀盘同步异向转动，避免了因刀盘单向旋转产生的外力致使掘进机发生偏移；切削刀盘转动半径小，切削刀头滑动距离小，减少了刀头的磨耗，有利于长距离掘进。6m×4m偏心多轴刀盘式矩形掘进机及工程应用如图8所示。
图8 6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机及应用工程
6.9m×4.2m和10.4m×7.5m第三、四代矩形顶管机的研制和应用
随着工程规模的增大，以往的设备和施工已不能适应于需求。在确立了偏心多轴的刀盘组合方式后，矩形掘进机向着大断面的方向发展。隧道股份先后研制了断面为6.9m×4.2m和10.4m×7.5m两代机器（如图9、图10所示），并全部应用于郑州中州大道下穿隧道项目，其中后者断面为目前世界最大。
图9 第三代 矩形掘进机6.9m×4.2m图 10第四代 矩形掘进机10.4m×7.5m
郑州市下穿中州大道隧道工程是国内首次应用最大断面矩形顶管施工的地下车行隧道。工程建设规模为机动车双向四车道、两侧各设非机动车道、人行道，道路等级为城市主干路，计算车速为40km/h。车行道外径为10.4m×7.5m，人行道外径为6.9m×4.2m。隧道建成后的效果如图11所示。
图11 郑州市下穿中州大道隧道工程效果图
针对超大断面的特性，工程技术人员在装备和施工控制技术上进行了革新，特别是矩形全断面切削、减摩泥浆、自动控制等方面。
●刀盘切削系统实现100%切削：前所未有的大尺寸对设备的设计制造提出了更高的要求，尤其是刀盘切削效率问题。研发了1个主心大刀盘和4个偏心刀盘的创新组合方式，多种类刀具配置，有效实现了特殊断面的全面切削，切削率达到100%。10.4m×7.5m矩形顶管模型图如图12所示。
图12 10.4m×7.5m矩形顶管模型图
●自动减摩注浆系统：首次采用减摩泥浆的自动压注系统，实现关键部位管节注浆中央集控，所有管节电动控制。
●一体化多模式控制系统：首次将主机、主顶、泥浆套、土体改良等子系统通过数据总线连接，形成一体化自动控制系统。该系统具有集中控制、远程控制、就地控制三种模式。一般情况下以集中控制为主，应急状态下就地控制。隧道施工期间和贯通照片如图13所示。
图13 隧道施工期间和贯通照片
郑州市下穿中州大道隧道工程的首条7.5m×10.4m矩形顶管隧道于2014年3月31日贯通，并与2014年11月30日试通车。
创新与未来
矩形隧道技术创新
近年来，国内在矩形隧道方面得到了较快的发展。目前矩形隧道断面尺寸已经能满足双线地铁和两车道机动车运行的要求；在矩形全断面切削方面，我们已实践了多种全断面切削形式，圆形刀盘和偏心刀盘或行星刀盘等方式已满足全断面切削要求；矩形顶管隧道，在国内已建成了一定数量的工程，工程质量满足设计要求，技术已日趋成熟。
相比矩形顶管隧道，矩形盾构隧道应用范围更为广泛，能满足顶管技术难以解决的长距离掘进和较小曲率半径隧道的施工，建设期间对周边环境影响更为可控。
在矩形盾构隧道的施工方面，我们对管片结构进行了一定的研究，并取得了初步成果，设计的11m级别宽度的管片已满足结构受力计算要求，但目前我国矩形盾构隧道技术还有很多方面有待研究和工程验证，而其发展应就矩形隧道本质进一步加深认识。因此，矩形盾构技术可以从三方面着手，并结合工程进一步开展创新研究。
（1）大断面矩形盾构隧道设计技术创新
针对双线地铁和两机动车道公路隧道的限界尺寸，设计相适应的矩形隧道断面，从提高地下空间利用率和控制建设成本中寻求平衡；根据隧道功能选择合理设置中间立柱和管片分块形式，以改善矩形的结构受力；根据隧道变形特性设计结构防水。
（2）矩形盾构机设备制造创新
基于矩形隧道管片设计，确定矩形盾构机的断面尺寸，设计合理的全断面切削刀盘和拼装机形式，并对长距离、急曲线半径的盾构设备纠偏功能和可靠性进行专项研究。
（3）矩形盾构施工关键技术创新
根据矩形隧道的管片和盾构机，结合工程地质水文和环境条件，研究获取矩形盾构施工地层扰动影响规律和隧道变形规律，完善矩形盾构全断面切削技术、姿态控制技术、管片拼装技术、同步注浆技术和隧道稳定控制技术。
矩形隧道未来需求
矩形隧道作为众多断面形状中的一种，已在世界范围内有了一定应用。随着我国城市的发展，市政建设日新月异，它作为城市交通中繁忙路口的人行通道和电力、通讯等的电缆隧道或合用通道等来说是极为理想的形状。另一方面，市区施工场地一般比较狭小，应用矩形断面隧道更有其特殊的优点。
面对如此广阔的市场，上海隧道股份正在上海市国资委和经信委的强力支持下展开系统化技术研究，致力于开发空间利用和谐、结构安全可靠和经济成本合理的矩形盾构法隧道技术。届时，地下工程大断面非开挖技术将登上一个新的台阶，我们共同期待城市建设“满城挖”的现象将会大为改善，城市生活将变得更美好。
周文波：博士，教授级高工，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家，国家科技奖励评审专家，上海城建集团副总裁，总工程师（兼）。国际隧道协会会员，英国皇家特许建造学会及英国土木工程师学会资深会员。